一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法技术

本发明专利技术公开了一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，设计了一种内部充满氦气的球体结构，通过增大其初始体积、电极密度和预加载等参数达到该软驱动器的大变形；结合Gent计算模型给出体积与压力的关系式，根据理想气体状态方程，得出了临界击穿电压与预拉伸率间的关系；分析了直流电大小、交流电幅值、频率等参数对机器人运动方向的影响。使用内部乳胶球破裂的方法，使介电弹性膜球体产生较大的体积扩张，进而球体系统产生上升的浮力和加速度。改变设计结构，机器人能够实现无线控制条件下的转动和平移等运动。另外，给介电高弹性球体驱动器连通大的无弹力腔体，使其实现可控的飞行运动，还可以搭载无线控制系统和载荷飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法
本专利技术涉及一种使介电高弹性球体产生可控浮力技术，属于大变形方法

技术介绍
现代的无人飞行器在设计上大多使用金属元件构造。例如，机身和螺旋桨通常由铝或合金板材制作，并采用电动机作为执行机构。这些硬质材料和执行器虽然能够为一个完整的无人机系统提供合理的平衡结构，强度和重量，但它们在高要求的情况下也表现出了明显的局限性，例如进行低空摄影和观察灾害、天气等信息时，直升机在0～300米高度内无法飞行，也不安全；而且现有的飞行机器人在城市或森林等环境中，由于转子或螺旋桨旋转，会产生很强的噪音，且续航能力较短。基于软仿生驱动器的无人载物软飞行机器人不同于传统的基于电动马达的飞行机器人，这种软的机器人将由软执行器驱动，它们更加灵活，高载荷(相比自重)。例如，无人载物软飞行机器人与高科技物联网技术结合，应用于把互联网接入到现有设备信号不好的偏远地区，尤其是当这些地区遭受自然灾害时，此新型设备能够提高与外部世界的通信效率与准确性；软介电弹性体膜可以用来做出很多形状，比如平面，曲面等。在电压驱动状态下，介电弹性薄膜球体驱动器在高电压作用下体积显著增大，但是介电弹性球体在预拉伸状态时较难保持密封性，需要间隔地充气。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，通过对介电高弹体载重飞行球体机器人的设计、开发和控制；采用数学计算模型描述球体厚度、内部压力与体积变化与仿真，包括施加的电压与球体内部压力、体积的关系，以及失效电压与球体变形量的定量分析；基于理想气体热力学平衡系统理论，分析球体充入相对空气较轻的气体以后，球体的压力与体积对控制系统的影响；施加高电压之后，球体变形对于浮力、载物重量与实现控制的影响；分析直流高压电大小，交流高压电的频率对于球体变形幅度，材料的机电不稳定性的影响；分析介电高弹体膜球形体飞行运动过程中Helmholtz自由能的变化，研究这种变化对升力产生的影响，最后达到介电高弹性球体产生可控的浮力，并实现各向运动的目标。本专利技术提供一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，使用介电高弹体驱动器技术和理想气体状态方程等算法对球体进行大变形与浮力分析，包括以下步骤：步骤1：当气球的初始体积足够大，气球在高压作用下的体积变化明显大于内部压强变化值，压力和电压随着时间t的变化，气球的动态行为比较复杂，为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Фdc和交流电压Фac等：其中ω是激励频率；ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路；步骤2：时间独立的拉伸近似于：λ(T)＝λeq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)λeq：平衡的状态下的拉伸；a和b：时间依赖的振幅；DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：ε0和εr：真空介电常数和相对介电常数；步骤3：在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即R、H和W：分别为参考状态的半径、材料厚度和自由能；Q：所施加的电荷；r和p：变形后的半径和压力；ρ:材料密度；步骤4：根据热力学方程，密闭空间里存在P1V1＝P2V2＝P3V3＝nRT即：因为存在r3＝λ2λ1R；所以可得本专利技术的进一步改进，所述的可控飞行运动为一种能够使介电高弹性球体系统进行低空摄影和观察灾害、天气等信息的方法。本专利技术的进一步改进，所述的步骤4中测试方法如下：步骤4.1：Maxwell应力为：ε0为真空介电常数，E是电场强度。电压值；E：电场强度；步骤4.2：由于电场所以，结合Maxwell应力可得：步骤4.3：在电场力作用下，软驱动飞行器存在机电不稳定性和电击穿，其中电击穿场强公式为：当材料的拉伸值为λ<5.7，电击穿强度为EEB＝30.6×λ1.13MV/m，当λ≥5.7，EEB＝216MV/m。本专利技术的进一步改进，所述的步骤4中测试方法如下：步骤4.4：在系统飞行平衡状态下：(m系统+m载荷)g＝(ρ空气-ρ氦气)gv3由于V3＝4/3×π(λ1λ2R)3：Δρ＝ρ空气-ρ氦气。本专利技术的进一步改进，所述的步骤4中实现可控浮力的方法如下：步骤4.5：系统浮力可以通过下式计算FBuoyancy＝∮σdA＝-∫fgasdV＝-ρgas×g∫dV＝-ρgas×gV该浮力与重力方向相反，所以：FBuoyancy＝ΔρgV步骤4.6：当DE球飞行时，存在：FBuoyancy≥mgΔρ＝ρair-ρhieliumΔρΔv＝mload本专利技术的有益效果是：1、基于软介质高弹体驱动器体积变化，设计了飞行观测系统-氦气球；其体积值变化较大，可以控制的氦气球飞行高度理想；本系统耗能低，连续飞行时间较长；2、能够通过增加VHB膜和乳胶球膜层数来达到系统的大变形，且驱动球体密封性好；3、软球体驱动器的初始半径选择的较大，工作中的可控质量较多，系统的稳定性以及抗干扰性能强，电压所引起的加速度值也较理想。附图说明图1为本专利技术介电高弹性球体驱动器变形简图；图2为本专利技术充气过程仿真图；图3为本专利技术大变形方法图；图4为本专利技术压力现象变化图；图5为本专利技术无线数据收发流程图；图6为本专利技术介电弹性体球形驱动器飞行图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述：本专利技术提供一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，本专利技术是往球体内充入氦气，当球体内压力大于大气压时，介电高弹体膜膨胀成为气球。兼容电极涂在球膜的外部和内部区域，施加高压直流或交流电时，球膜内外表面以及所覆盖的电极结构具有作为执行器的功能。施加电压对此软执行器形成开环控制系统，在初始状态下，球体系统的重量略大于浮力。在临界电压下，球体系统重量与浮力相等，系统处于平衡状态；当电压超过临界体积时，开始飞行；与此相反，当电压低于此临界值时，系统将会下降。此外，该系统也能够实现平移与旋转运动。一种使介电高弹性球体产生可控浮力的计算方法，具体包括以下步骤：步骤1：软驱动器在压力与电压作用下的变形状态，由于不可压缩性，介电体上每个单元的变形状态受力图，分别为三轴应力σθ,σr，如图1所示。软驱动球体用于实现飞行器的大变形、可控运动等。在预拉伸状态下，氦气或者空气充入到球体内，然后密封球体；在受驱动状态下，弹体膜在电压的作用膨胀，因为该结构是密封的，根据理想气体状态方程，得出整个系统体积等参数的变化。(1)当压力和电压随着时间t的变化，气球的动态行为比较复杂。为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Фdc和交流电压Фac等，ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路：(2)时间独立的拉伸近似于：λ(T)＝λeq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：(3)在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即(4)根据热力学方程，密闭空间里存在P1V1＝P2V2＝P3V3＝nRT即：因为存在r3＝λ2λ1R；所以可得步骤2：对步骤1得到的介电弹性球体结构，初始半径已知的情况下，纯VHB球充气过程中气体压力随球体半径变化的关系如图2所示；(1)图2a中由纯乳胶气球的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，使用介电高弹体驱动器技术和理想气体方程算法对球体进行大变形与浮力分析，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：当气球的初始体积足够大，气球在高压作用下的体积变化大于内部压强变化值；压强和电压随着时间t的变化，气球的动态行为较复杂，为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Фdc和交流电压Фac：

【技术特征摘要】
1.一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，使用介电高弹体驱动器技术和理想气体方程算法对球体进行大变形与浮力分析，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：当气球的初始体积足够大，气球在高压作用下的体积变化大于内部压强变化值；压强和电压随着时间t的变化，气球的动态行为较复杂，为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Фdc和交流电压Фac：其中ω：激励频率；ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路；步骤2：时间独立的拉伸近似于：λ(T)＝λeq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)λeq：平衡的状态下的拉伸，a和b：时间依赖的振幅；DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：ε0和εr：真空和相对的介电常数；h：膜的实时厚度；步骤3：在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即R、H和W：分别为参考状态的半径、材料厚度和自由能；Q：所施加的电荷；r和p：变形后的半径和压力；ρ:材料密度；步骤4：根据热力学方程，密闭空间里存在P1V1＝P2V2＝P3V3＝nRT即：因为存在r3＝λ2λ1R；所以可得2.根据权利要求1所述的一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，其特征在于：本方法是使介电高弹性球体能够进行低空摄影和观察灾...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志胜，张慧，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32